第18次课(第七章)工程光学课件.pptx

1、工程光学工程光学（上）（上）第六章第六章 光线的光路计算及像差理光线的光路计算及像差理论论工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院一、基本概念一、基本概念第一第一节节 概概 述述单色像差光学系统对单色光成像所产生的像差球差、慧差、像散、场曲、畸变色 差由不同波长引起折射率的不同造成的成像位置和大小也不同位置色差倍率色差工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院 1 1、球差、球差246112131.LA hA hA h 246112131.La Ua Ua U 241121LA hA h 241121La Ua U 2 2、球差是入射高度和孔径

2、角的函数（偶次）球差是入射高度和孔径角的函数（偶次）球差的级别球差的级别tan) (tanUlLULT) (lLL垂轴球差轴向球差第一第一节节 概概 述述工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院单个折射面的球差分布系数可写为：21cos21cos21cossinsinsinsinsinIIUIUIUIIIUniLS多个折射球面的球差分布系数为： Sk1第三节第三节 轴上点的球差轴上点的球差光学系统的球差分布：kkkkSUunL1sin21工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院对于单个折射球面，在以下三种情况时球差为零： （1）L0，此时L必为零，即物点

3、、像点均与球面顶点重合。 （2）光线和球面法线重合，有 ，物点和像点均与球面中心相重合。 （3） 。 UIUI0sinsin?不晕点（齐明点）：不产生像差的共轭点。21cos21cos21cossinsinsinsinsinIIUIUIUIIIUniLS第三节第三节 轴上点的球差轴上点的球差II 工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院第三节第三节 轴上点的球差轴上点的球差工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院第三节第三节 轴上点的球差轴上点的球差工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院第四节第四节 正弦差正弦差和慧差和

4、慧差 当物体位于有限远时： sinsinUynUny 当物体位于无限远时： 1tgUhf 不晕成像：无球差也无正弦差的成像。1.正弦差的特征 正弦条件：轴上点和近轴点均成完善像的条件。2.正弦条件和不晕成像 用来表征小视场、宽光束成像呈现的不对称性。 一、正弦差一、正弦差工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院3.等晕条件 轴上点和近轴点具有相同的成像缺陷。 当物体位于有限远时： ZlLLUUnn1sinsin1 当物体位于无限远时： 11sinzlLLUfh第四节第四节 正弦差正弦差和慧差和慧差出瞳工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院4

5、.正弦差的定义 轴上点和近轴点不满足等晕成像引起的成像不对称性。 用OSC表征。1sinsin1zlLLUUnnOSC 当物体位于无限远时： 1sin1zlLLUfhOSC当物体位于有限远时： 第四节第四节 正弦差正弦差和慧差和慧差出瞳工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院5.正弦差的性质 与孔径的大小、位置有关，与视场无关。是等晕条件的特殊情况。 OSC也可以级数展开为：613412211hAhAhAOSC初级正弦差二级正弦差三级正弦差 若正弦差OSC=0，球差 ，满足等晕成像条件；若OSC=0，球差 ，满足正弦条件。0L0L第四节第四节 正弦差正弦差和慧差和慧差

6、工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院6.正弦差的分布 单个球面的OSC分布系数为：iiSuiiiluniSzIz)(多个折射球面的OSC分布系数为： 光学系统的OSC分布：kSJOCS121kS1第四节第四节 正弦差正弦差和慧差和慧差工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院二、慧二、慧差差 慧差与正弦差没有本质区别，二者均表示轴外点宽光束成像后失去对称性的情况，区别在于正弦差适用于小视场光学系统，而慧差可用于任何视场的光学系统。第四节第四节 正弦差和慧差正弦差和慧差工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院第四节第四节

7、正弦差正弦差和慧差和慧差zdzcsyyyyK工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院辅轴 用上、下光线的交点B T到主光线的垂直于光轴方向的偏离来表示这种光束的不对称性，称为子午慧差。 第四节第四节 正弦差正弦差和慧差和慧差工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院子午慧差的大小可以表示为 )(21zbaTyyyK第四节第四节 正弦差正弦差和慧差和慧差工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院4.慧差的性质 既与孔径有关，也与视场有关。当视场和孔径均为零时，慧差为零。 慧差也可以级数展开为：61534132211hyAhyAy

8、hAKs初级慧差二级慧差三级慧差第四节第四节 正弦差正弦差和慧差和慧差工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院5.慧差的分布 初级慧差的分布为：初级慧差与正弦差的关系为： /yKOSCskkksSunK121kkkTSunK123 初级子午慧差是初级弧矢慧差的三倍。 第四节第四节 正弦差正弦差和慧差和慧差工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院 慧差是轴外像差之一，破坏了轴外视场成像的清晰度，是随着视场的增大而增大的。第四节第四节 正弦差正弦差和慧差和慧差工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院第五节第五节 场曲和像散场曲

9、和像散1、场曲的概念当其它像差都等于0时，整个光束相交于一点，但交点和理想像点不重合。虽然每一个像点都能够得到一个清晰的像，但整个像面不在同一个平面上，而是在一个回转的曲面上。 因此，在像平面上不能够得到一个清晰的像，实际上也是影响物体的清晰成像的，每一个像点在像平面上得到一个弥散的斑。一、场曲与轴外球差 工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院一、场曲与轴外球差 某一视场的子午像点、弧矢像点相对于高斯像面的距离称为子午像面弯曲和弧矢像面弯曲，简称子午场曲和弧矢场曲。 第五节第五节 场曲和像散场曲和像散工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院

10、 轴外点细光束产生的场曲与轴外点宽光束产生的场曲大小不同，宽光束场曲与细光束场曲沿光轴方向的偏离，称为轴外球差。 2、轴外球差的定义轴外子午球差：轴外弧矢球差：tTTxXLsSSxXL第五节第五节 场曲和像散场曲和像散工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院3、场曲性质 只与视场有关，与孔径无关。视场为零，则场曲为零。 场曲可以级数展开为：634221)(yAyAyAxst初级场曲二级场曲三级场曲第五节第五节 场曲和像散场曲和像散工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院4、场曲的分布 系统的初级像散系数为：22)()()(iiSiiuiiil

11、uniSzIzIII系统的初级场曲系数为： 光学系统的子午和弧矢场曲分别为：kIVIIIkktSSunx12 )3(21rnnnnJSIV/ )(2kIVIIIkksSSunx12 )(21第五节第五节 场曲和像散场曲和像散工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院1、像散的表征 如果光学系统中只存在像散，则子午光束和弧矢光束均分别位于主光线上的同一点，但两焦点的位置并不重合，整个光束形成两条焦线，分别称为子午焦线和弧矢焦线。两者分开的轴向距离称为像散。二、像散第五节第五节 场曲和像散场曲和像散工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院1、像散的

12、表征 cos) (zsttsUstxxxcos) (zsttsUSTXXX二、像散第五节第五节 场曲和像散场曲和像散工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院2.初级像散的分布kIVIIIkktSSunx12 )3(21kIVIIIkksSSunx12 )(21由：得：kIIIkktsSunx12 1第五节第五节 场曲和像散场曲和像散工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院3. 像散的性质 （1）对单个折射面，无正弦差的物点位置（齐明点）和光阑位置（光阑在球心）也不存在像散。 （2）当像散为0时，但像面弯曲仍然存在，这样也会出现中间清晰，边缘模糊的情

13、况。 （3）子午像面和弧矢像面像散均为对称于光轴的旋转曲面。 （4）有像散必有场曲，但像散为零时，场曲不一定为零。第五节第五节 场曲和像散场曲和像散工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院第五节第五节 场曲和像散场曲和像散工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院第六节第六节 畸变畸变一、畸变 当系统中只存在畸变时，整个物平面能够清晰成像，但像的大小和理想像不等。即光学系统成像的垂直放大率不再是一常数，使像相对于物失去了相似性，这种使像变形的缺陷称为畸变。桶形畸变鞍形畸变工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院 将不同视场的主光线

14、经过系统后与高斯像面的交点高度y z与理想像高y 的差来表征畸变：1、畸变的表征 yyyzz光学设计中，常用相对畸变q 来表征：%100%100yyqz第六节第六节 畸变畸变工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院2、畸变的性质 畸变是垂轴像差，只改变轴外点在理想像面上的位置，使像失真，但不影响像的清晰度。存在正畸变和负畸变。完全消除畸变是非常困难的。畸变是视场的函数。5231yAyAyz初级慧差二级慧差第六节第六节 畸变畸变工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院位置色差位置色差按色光波长由短到长，其像点离透镜由近到远地排列在光轴上。这种现

15、象就是位置色差，也称轴向色差。 )。第六节第六节 色差色差工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院第六节第六节 色差色差工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院LFLCLFCAFADAC第六节第六节 色差色差工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院目视光学仪器的位置色差为 CFFCCFFClllLLL 一般光学系统对0.707带校正色差,色差小于零者为校正不足，色差大于零者为校正过头。 光学系统对带光校正了色差后，在其它带上有剩余色差。为全面了解色差情况，还必须计算边光和近轴光的色差 第六节第六节 色差色差工程光学工程光学（上）（上）

16、第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院倍率倍率色差：色差：对轴外点来说，两种色光的垂轴放大率不一定相等。因此，同一物体成像将引起像的大小不同，称为倍率色差(或放大率色差或垂轴色差)*光学系统的倍率色差是以两种色光的主光线在消单色光像差的高斯像面上交点高度之差来量度。 CFFCCZFZFCyyyYYY工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院第九节第九节 波像差波像差1 1、波像差的物理意义、波像差的物理意义理想的出理想的出射波射波是球面波是球面波 实际的出射实际的出射波偏离波偏离球面波球面波 2 2、波像差的定义、波像差的定义实际波面与实际波面与理想波面在理想波面在出瞳

17、出瞳处处相切相切时的光程差时的光程差 波像差波像差一、波像差一、波像差 工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院 3 3、轴上物点单色光的波像差仅由球差决定、轴上物点单色光的波像差仅由球差决定12FCdnnn202mUnWL du1nFCFCWWWDd dn1 1、波色差的物理意义、波色差的物理意义二、波色差二、波色差 光与光与 光在出瞳处相切时的光程差光在出瞳处相切时的光程差 2 2、波色差的计算、波色差的计算第九节第九节 波像差波像差工程光学工程光学（上）（上）第七章第七章 典型光学系统典型光学系统工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院

18、主主 要要 内内 容：容： 一、眼睛及其光学系统 二、放大镜 三、显微镜系统 四、望远镜系统 五、目镜 六、摄影系统 七、投影系统工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院H=1.3mmH=1.3mm，H =1.6mmH =1.6mm；f=-17mm,f=23mm(18mm)f=-17mm,f=23mm(18mm)水晶体折射率有外层到内层水晶体折射率有外层到内层1.37-1.41,1.37-1.41,前室和后室前室和后室1.341.34水晶体曲率半径水晶体曲率半径40-70mm40-70mm第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统工程光学工程光学（上）（上）第五级

19、北航仪器北航仪器光电学院光电学院 1 1、眼睛的调节能力、眼睛的调节能力APRllpr1121RRAST2 2、眼睛的散光度、眼睛的散光度远点发散度（会聚度）远点发散度（会聚度）1rRl近点发散度（会聚度）近点发散度（会聚度）1pPl眼睛的调节能力眼睛的调节能力眼睛的视度眼睛的视度眼睛的散光度眼睛的散光度lSD1第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统单位为屈光度（单位为屈光度（D）工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院v 明视距离：对于正常人眼，将物或像置于眼前250mm处，这个距离即为明视距离，通常用D表示。 近视眼及校正：远点位于眼前有限远处。 校正：加

20、负透镜。 远视眼及校正：远点位于眼后有限远处。 校正：加正透镜。第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统散光及校正：光束在两个主截面的光线不交于一点。 校正：加圆柱面或双心圆柱面透镜。工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院眼睛眼睛的分辨率：的分辨率： 眼睛的分辨率眼睛的分辨率：眼睛能区分两个点或线之间的线距离或角距离的能力。眼睛能区分两个点或线之间的线距离或角距离的能力。 极限极限分辨角：分辨角：刚好能分辨开的二点对眼睛物方节点所张的角。视网膜上的最小鉴别距离至少等于两个视神经细胞的直径，约0.006mm。分辨率与分辨角成反比。 物体对人眼的张角，称作视角；人眼能分

21、辨的物点间最小视角，称作视角分辩率。（点目标：60 ；线目标：10 ） mmf68.160602060068.16006. 0 第一节第一节 眼睛眼睛及其光学系统及其光学系统工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院四、四、眼睛的对准精度眼睛的对准精度 对准误差对准误差偏离置中或偏离偏离置中或偏离重合的线距离或角距离重合的线距离或角距离对准对准垂直于视轴方向的重合垂直于视轴方向的重合或置中过程或置中过程6010 对准形式对准形式第一节第一节 眼睛眼睛及其光学系统及其光学系统工程光学工程光学（上）（上）眼睛眼睛的的景深景深 211PPPPDP 222PPPPDP 所以，远

22、、近景深度分别为：第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统p/1PDP/2PDP若眼睛调节在无限远若眼睛调节在无限远Pab工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院LbA/双目双目立体视觉立体视觉1、视差、视差角：角：双目观察物点A时，两眼视轴的夹角。2、立体视差、立体视差双目观察物体双目观察物体 4、立体、立体视角视角半径半径maxmin/62mm206265/101200mLb不同距离物体不同距离物体对应对应不同的不同的视差角视差角3、体视锐度、体视锐度视差角的视差角的极限：极限：10 ，训练后可，训练后可达达5 -3 min第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛

23、及其光学系统工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院bLL/2428 10LL 5、立体视角阀、立体视角阀双目能分辨两点间的最短深度距离称为立体视觉阈。 100m8m0.250m0.05mm第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统上述公式只适用于1/10立体视觉半径内。maxmin/62mm206265/101200mLbB(mm)Lmax(m)B(m)Lmax(m)60120050010,000100020,000300060,000工程光学工程光学（上）（上）